基金会现场总线开放体系结构用于信息集成

　[关键词]

　　工厂优化要求来自于传感器，自动化系统和应用软件的信息的集成。基金会现场总线把设备层网络和高速骨干网整合到一起自动控制通信网络（ 通常所说的现场总线） 是现代工厂的基本要素

　　l体系结构   



　图一，信息集成的开放的体系结构通过减少网关，控制网络和传感器与数据服务器之间的设备网络的数量使工厂的层次结构变得平缓。通过除去 I/O 接口，分散控制和将传感器 / 施动器集成到智能装置中能提供进一步的优化。传感器交换场所的集成框架从金字塔的最低级现场总线开始，因为这是必需的传感器和控制信息所在地。要使金字塔变平，公司必须用开放的现场总线和分布式控制系统来替代不兼容的网络和系统。传感器，设备，子系统和数据服务器就能减少对网关和别的接口设备用户装置和复杂集成的需要（开放现场总线）为了经济而高效，开放现场总线结构必须基于被广泛采用的通信协议，支持标准用户层（见图二）


图 2. 开放的结构必须使用标准的现场总线通信网络和标准的用户层以确保现场设备和子系统能够协作。要达到高效低价的工厂优化，通过 COTS 信息技术和基于个人电脑的数据服务器对用户层信息进行开放访问是必须的。这样的现场总线使控制设备能够与网络连接并且从 OSI 参考模型的物理层到应用层都能协作。

　　高容量的现场总线通过去掉部件开销和使公用帮助平台支持可行来减少系统开销当然，减少现场总线的数量来保持维护费用尽可能的低也是很重要的。

　　l标准的用户层

　　设备在网络级协作还不够。网络只将消息从点 A 移到点 B 。要解决控制问题，设备必须与用户层协作。开放的体系必须定义标准的用户层 ，该层定义设备如何执行数据采集和控制功能以及这些功能如何通过现场总线进行协作。

　　最后，开放的现场总线结构必须允许实时数据服务器完全访问应用层信息。

　　方便的信息访问是企业管理的关键。反过来服务器为客户提供通用的界面。应用程序包用客户端访问建立企业资源规划和商业系统数据库所需的现场总线信息。数据服务器通过使用基于 Web 的技术，如 HTML, XML 和浏览器来提高信息集成。   

　　l分布式控制   

　　强大的低价的微处理器使得在现场设备级分散控制功能低价高效。这意味着多设备可以共享控制策略。例如，这样的功能如流量发送器的模拟输入或阀门的模拟输出封装在功能块中。 PID 控制功能也能建到功能快中并在现场设备中运行。分散控制减少或去掉 I/O 子系统和控制设备，这减少了设备费用，电源消耗和安装空间。   

　　l互操作性



设备集成。用户层提供功能块参数的标准定义并代表功能快参数。这允许生产商开发能够互连并在同一现场总线上不需要用户编程就能互操作的产品。（例如，来自于不同厂商生产的即插即用设备）。

　　图三 基金会现场总线允许这样的功能如 D/A 和 PID 控制被分散到智能现场设备中。

　　现场总线，用户层功能块和设备描述与性能文件使不同厂商的设备能不经用户编程就能在同一网络上协作。这里 H1 现场总线用来将设备集成为一个自动控制子系统。互操作性对工厂优化是至关重要的 ，因为它能确保有足够的设备提供者来提供所需设备。使用标准功能块极大地减少了系统设计，配置，启动和运行及正在进行的工程费用。

　　l子系统集成。高速现场总线集成自动控制子系统。

　　图 4 HSE 使用和 H1 相同的用户层功能块和设备描述符及性能文件，但是它使这些功能在高性能的 100 Mbps COTS 以太骨干网上可用。和 H1 一样，从不同厂商生产的 HSE 设备在骨干网上不经用户编程也能互操作。灵活的功能块为批控制、 PLC 应用、与其它网络接口（如传感器总线）提供额外的支持。这些网络担当骨干控制网络。有了设备集成，子系统集成不要求用户软件编程，而采用现场总线配置工具。

　　连到高速骨干网的数据服务器提供操作站，工程工作站和应用包来访问工厂信息。服务器接口通常称为软件底板，因为应用软件包能够插入软件底板就象硬件卡可以插入 PC 底板。



　设备集成。用户层提供功能块参数的标准定义并代表功能快参数。这允许生产商开发能够互连并在同一现场总线上不需要用户编程就能互操作的产品。（例如，来自于不同厂商生产的即插即用设备）。

　　图三 基金会现场总线允许这样的功能如 D/A 和 PID 控制被分散到智能现场设备中。

　　现场总线，用户层功能块和设备描述与性能文件使不同厂商的设备能不经用户编程就能在同一网络上协作。这里 H1 现场总线用来将设备集成为一个自动控制子系统。互操作性对工厂优化是至关重要的 ，因为它能确保有足够的设备提供者来提供所需设备。使用标准功能块极大地减少了系统设计，配置，启动和运行及正在进行的工程费用。

　　l子系统集成。高速现场总线集成自动控制子系统。

　　图 4 HSE 使用和 H1 相同的用户层功能块和设备描述符及性能文件，但是它使这些功能在高性能的 100 Mbps COTS 以太骨干网上可用。和 H1 一样，从不同厂商生产的 HSE 设备在骨干网上不经用户编程也能互操作。灵活的功能块为批控制、 PLC 应用、与其它网络接口（如传感器总线）提供额外的支持。这些网络担当骨干控制网络。有了设备集成，子系统集成不要求用户软件编程，而采用现场总线配置工具。

　　连到高速骨干网的数据服务器提供操作站，工程工作站和应用包来访问工厂信息。服务器接口通常称为软件底板，因为应用软件包能够插入软件底板就象硬件卡可以插入 PC 底板。



　l冗余   

　　HSE 支持冗余的通信路径。如果某条路径坏了，数据流动将立即移到一条可选路径上。要实现这一点，所有 HSE 设备周期传输网络诊断信息到所有以太端口。每一设备都用这些消息来生成本地网络状态表，以使 HSE 设备独立选择端口来通信，避开以太网络上有缺陷的通信路径。冗余以太交换机是容错网络的一个例子。如果防护物理电缆不被破坏是唯一的关注，实现冗余媒体就象在同一交换机上用两个不同的端口一样简单。别的类型的容错网络也被支持，例如光线环形配置。一些关键的监视和控制应用也需要设备冗余。冗余的链路设备配置能确保从 HSE 子系统到 H1 子系统的无中断访问。如果一个连接设备失败了，和 H1 子系统的通信将通过另一连接设备继续。任何 HSE 设备都能成为冗余，不仅是连接设备。  



　l统一的系统体系   

　　基金会现场总线是从上至下设计的，开始是终端应用要求。   

　　图六 H1 和 HSE 用同样的用户层，用户选择所需的 H1 和 HSE 设备来解决应用问题。

　　为了确保设备互操作协作， H1 和 HSE 设备被现场总线基金会测试和注册。   

　　统一的系统结构基于 OSI 互联模型。现场总线协议调用 2–7 通信协议栈。 OSI 第一层定义了物理连接。第一层以下是物理媒体。 H1 用 IEC 61158 Type 1 定义的 1,2,7 层 HSE 用以太网和 IEEE 标准定义的一到四和第七层。第七层有 IEC61158 类型 5 定义。用户层由现场总线基金会定义。

　　注意到在统一的系统结构中 HSE 补充而不是替代 H1 。 H1 在现场级优化，因为支持多点分支和树形拓扑，布线距离长达 1900 （无中继器），电源和信号在同一对线上，支持本安。

　　物理层

　　物理层的目的是确保在媒体上正确发送和接受比特。

　　H1 物理层支持双绞线，并可以用多达每段四个中继器来延伸电缆范围。传输是半双工的，这允许同一媒质被几个设备共享。支持的设备数量依赖每一设备的电源消耗，电缆类型和是否用中继器。 H1 设备能从现场总线双绞线供电，它们可以运行在以前用于 4–20 mA 设备的线路上。在传输的时候，设备将发送 ±10 mA 电流，来产生 1 V 峰蜂电压，调制在 31.25 Kbps 供电在 9 到 32v 之间变化，在信号频率上成高阻。

　　H1 支持总线供电的安全应用。要实现这一点，用户可以在供电安全区和危险区之间放置安全栅。本安的供电电压依赖安全栅的值。 H1 支持现场总线本安概念和实体模型。

　　双绞线的替代者是光纤（也运行在 31.25Kbps ）。用这个方法，设备通过星适配器连到现场总线，从设备到星型适配器的距离在 1.2 千米 到 1.66 千米之间变化，依赖于光纤大小，波长和供电。 HSE 用标准的 IEEE 802.3 信号和媒质。这种网络在 100 Mbps 测试，但可实现 1 Gbps 速率需要时可更高。标准双绞线能在交换机和设备间运行达 100 米，全双工光纤可达 2000 米。交换机通常用光纤互连，为了利用其传输更远的优点。   

　　l通信栈   

　　栈控制对物理媒质的访问，将用户层信息根据所期望的通信类型编解码以构成包，控制包传输设备必须用同一栈协议，否则它们不能在网络上互操作。链路主设备类（ LM ）控制对 H1 媒质的访问。活动的 LM 执行活动的链路活动调度 H1 允许 LM 冗余。如果一个 LM 失败了，别的 LMs 可以运行 LAS 。 LM/LAS 协议由 H1 数据链路层定义 (H1 DLL) 。

　　HSE 没有链路主设备。然而，它用标准的 Ethernet/IEEE 802.3 多路访问链路协议。

　　H1 和 HSE 提供对网络确定的访问。 H1 通过每次允许一个设备通过 LAS 访问媒质来实现这一点 HSE 用前述的以太交换机来实现这点。交换机解析地址，以太协议纠正多路访问引起的冲突。 H1 不用 OSI 的 3–6 层因为它不需要包寻址和包分割。 HSE 确需要这些功能和用标准的网际协议 (IP), ，传输控制协议 (TCP) 和用户数据报协议 (UDP) 。   

　　H1 和 HSE 为用户层提供同样的服务。现场总线报文规范 (FMS) 定义了 H1 中这些服务界面，现场设备访问代理 (FDA) 为 HSE. 提供界面。现场总线协议定义了三种通信关系。

　　客户 / 服务器典型应用于主机和现场设备通信.出版商 / 订户用于不同设备功能块间的数据传输以及主机的 DA 和监视设备.事件通知用来报警。

　　在 H1，这些关系由现场总线访问子层规范来定义。在 HSE 中，通信关系规范在 FDA. 中。

　　l用户层

　　本层提供设备控制级的互操作。要实现这点，规定了功能块，设备描述 / 性能文件 (DD/CF) ，系统管理 (SM) 但是定义设备中的功能块并不够。 (DD/CF) 也提供主机系统不经用户编程来配置和运行设备所需的驱动程序。商家为他们的产品提供驱动程序。现场总线基金会收集这些驱动程序，使之通过 Web 站点 (www. fieldbus.org) 和光盘可以获得。   

　　SM 通过配置设备下载执行功能块调度。在 H1 中，配置设备也为功能块通信建立 LAS

　　LAS 允许为实时通信分配 H1 带宽.对 HSE,没有必要用通信调度表，因为速度高，时间苛刻的通信立即就被发送。调度表包含对绝对链路调度开始时间的时间偏移。现场总线上的所有设备都知道绝对链路调度的开始时间.宏周期是设备内进度表的单个循环.例如，SM 发送器使 AI 功能块在偏移时间 A 执行。在时间偏移 B, LAS 将发送特定的报文到转发器的 AI功能块缓冲区，缓冲区的数据会被在现场总线上公布。在偏移时间 C，阀门的 SM 会引起 PID 功能块执行，接着 AO 功能块在时间偏移D时执行。这种模式准确重复确保循环控制的一致性。   

　　总结

　　基金会现场总线为工厂优化信息集成提供开放的体系结构。现场总线结合 H1 分布控制技术和 HSE 100 Mbps COTS 以太技术 。 H1 的 31.25 Kbps 操作和物理层提供过程自动化和现场级接口。 HSE 提供工厂骨干（网）和高速数据传输， HSE 骨干使所有自动控制子系统集成化，包括工厂优化所需的数据服务器，应用包和商业系统。连接设备将 H1 子系统集成到 HSE 骨干网中。使用基于标准功能块的公用用户层确保控制网络的所有层的数据有统一的表示形式。用户层功能块，设备描述，和与 IEC 61158 兼容的通信及标准物理层结合的系统管理允许出自不同厂商的设备能在 H1 和 HSE 设备上运行。